一种碳化硼轻质防弹材料及其制备方法
阅读说明：本技术 一种碳化硼轻质防弹材料及其制备方法 (Boron carbide light bulletproof material and preparation method thereof ) 是由 汪兆栋 陈猛 徐罗俊 周高杰 杨婷 刘志诚 于 2021-10-12 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种碳化硼轻质防弹材料,所述防弹材料按重量比,由碳化硼粉末80-95%、二氧化钛粉3-8%,炭黑粉1-5%、碳化硅粉1-5%,氧化石墨烯粉0.5％～3％,二硅化钼粉0.02-0.1%组成,所述防弹材料选择适宜的原材料进行搭配,经特殊工艺制备得到性能强,密度低,成本低的新型轻质材料,并适用于大规模工业化生产。(The invention relates to a boron carbide light bulletproof material, which consists of 80-95% of boron carbide powder, 3-8% of titanium dioxide powder, 1-5% of carbon black powder, 1-5% of silicon carbide powder, 0.5-3% of graphene oxide powder and 0.02-0.1% of molybdenum disilicide powder by weight ratio, and the bulletproof material is prepared by matching proper raw materials through a special process to obtain a novel light material with strong performance, low density and low cost, and is suitable for large-scale industrial production.)
技术领域
本发明属于材料合成技术领域，具体涉及一种碳化硼轻质防弹材料及其制备方法。
背景技术
碳化硼因具有高熔点,高硬度,低密度,良好的热稳定性,较强的抗化学侵蚀能力和良好的中子吸收能力等一系列优良性能,已被广泛应用于能源和军事领域，是最为常用的防弹材料的原料，其具有超常的硬度（35-45Gpa），并且其近于恒定的高温硬度是其他材料无法比拟的。以碳化硼制作的陶瓷材料具有较好的防弹性能，也是较为理想的装甲材料。
碳化硼陶瓷的制备工艺大致分为粉体制备、成形、烧结和后续加工处理等流程，其中粉体成形工艺以及烧结方法是十分关键的步骤，对成品的最终性能有极大的影响。因此，合理的选择防弹材料的原料并选择适宜的成形和烧结方法至关重要。
为了获得性能佳、质量好、成本低的防弹材料，需要在上述三种因素中达到平衡，以便在满足防弹性能的前提下，将密度和成本做的更低，因此，本发明提供了一种新型的轻质高性能碳化硼防弹材料，更好的满足市场需要。
发明内容
本发明的目的在提供一种碳化硼轻质防弹材料及其制备方法，所述防弹材料选择适宜的原材料进行搭配，经特殊工艺制备得到性能强，密度低，成本低的新型轻质材料，并适用于大规模工业化生产。
本发明提供了一种碳化硼轻质防弹材料，所述防弹材料按重量比，由碳化硼粉末80-95%、二氧化钛粉3-8%，炭黑粉1-5%、碳化硅粉1-5%，氧化石墨烯粉0.5％～3％，二硅化钼粉0.02-0.1%组成。
在上述碳化硼轻质防弹材料中，优选所述氧化石墨烯粉和二硅化钼粉的平均粒径均为0.5-5微米。
在上述碳化硼轻质防弹材料中，优选所述碳化硼粉末的平均粒径为0.5-5微米，所述二氧化钛粉、炭黑粉和碳化硅粉的平均粒径均为0.1-0.5微米。
本发明还提供了所述碳化硼轻质防弹材料的制备方法，包括如下步骤：
（1）按重量份，将碳化硼粉末、二氧化钛粉、炭黑粉、碳化硅粉置于球磨机中，以去离子水为介质湿磨1.5-3h，然后过120目筛网，得到浆料；
（2）按重量份，将氧化石墨烯粉和二硅化钼粉加入浆料中，再次球磨1-1.5h，然后过120目筛网，得到的浆料喷雾干燥造粒，得到造粒料；
（3）将造粒料置于模具中，压制得到素坯；
（4）将素坯置于烧结炉中，在氩气保护下，升温至2015-2200℃烧结，保温1.5-3h后，冷却，经磨加工、抛光得到防弹材料。
在上述碳化硼轻质防弹材料的制备方法中，优选所述素坯是在110-120MPa压力下压制成型，保压时间为10-20s。
在上述碳化硼轻质防弹材料的制备方法中，优选所述烧结炉是真空热压炉。
在上述碳化硼轻质防弹材料的制备方法中，优选所述升温是指从1200℃开始加压，加压压力为20-40MPa，以30-50℃/min升温至1700-1900℃，保温0.5h，然后再以20-30℃/min升温至2015-2200℃。
本发明以硬度大、密度小的碳化硼为基础原料，配伍二氧化钛粉、炭黑粉、碳化硅粉，并且添加氧化石墨烯，提高防弹材料的强度和韧性，添加二硅化钼，增强硬度和抗氧化性，同时提高氧化石墨烯粉体的分散性，避免发生团聚，上述原料的综合使用，极大的提高了防弹材料的力学性能，使其硬度更高、韧性更强，不易断裂，进而具有更好的耐撞击性和高抗弯强度，更为重要的是，制备的产品在相对密度较低的情况下具备良好的综合性能，实现了轻质防弹。并且机械加工方法简单，适合大规模应用。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
实施例1
原料：按重量比，碳化硼粉末91.25%、二氧化钛粉4.8%，炭黑粉1.2%、碳化硅粉1.5%，氧化石墨烯粉1.2％，二硅化钼粉0.05%。
其中，碳化硼粉平均粒径1.25um、二氧化钛粉平均粒径0.24um，炭黑粉平均粒径0.35um、碳化硅粉平均粒径0.16um，氧化石墨烯粉平均粒径2.48um，二硅化钼粉平均粒径1.36um。
制备方法：
（1）按重量份，将碳化硼粉末、二氧化钛粉、炭黑粉、碳化硅粉置于球磨机中，以去离子水为介质湿磨3h，然后过120目筛网，得到浆料；
（2）按重量份，将氧化石墨烯粉和二硅化钼粉加入浆料中，再次球磨1h，然后过120目筛网，得到的浆料喷雾干燥造粒，得到造粒料；
（3）将造粒料置于模具中，在110MPa压力下压制成型，保压时间为20s，压制得到素坯；
（4）将素坯置于真空热压炉结炉中，在氩气保护下，从1200℃开始加压，加压压力为30MPa，以35℃/min升温至1800℃，保温0.5h，然后再以25℃/min升温至2200℃烧结，保温2.5h后，冷却，经磨加工、抛光得到防弹材料。
实施例2
原料：按重量比，碳化硼粉末83.42%、二氧化钛粉7.9%，炭黑粉2.6%、碳化硅粉3.6%，氧化石墨烯粉2.4％，二硅化钼粉0.08%。
其中，碳化硼粉平均粒径1.25um、二氧化钛粉平均粒径0.24um，炭黑粉平均粒径0.35um、碳化硅粉平均粒径0.16um，氧化石墨烯粉平均粒径2.48um，二硅化钼粉平均粒径1.36um。
制备方法：
（1）按重量份，将碳化硼粉末、二氧化钛粉、炭黑粉、碳化硅粉置于球磨机中，以去离子水为介质湿磨2.8h，然后过120目筛网，得到浆料；
（2）按重量份，将氧化石墨烯粉和二硅化钼粉加入浆料中，再次球磨1.5h，然后过120目筛网，得到的浆料喷雾干燥造粒，得到造粒料；
（3）将造粒料置于模具中，在110MPa压力下压制成型，保压时间为15s，压制得到素坯；
（4）将素坯置于真空热压炉结炉中，在氩气保护下，从1200℃开始加压，加压压力为35MPa，以50℃/min升温至1900℃，保温0.5h，然后再以20℃/min升温至2105℃烧结，保温3h后，冷却，经磨加工、抛光得到防弹材料。
实施例3
原料：按重量比，碳化硼粉末86.84%、二氧化钛粉5.4%，炭黑粉3.8%、碳化硅粉2.1%，氧化石墨烯粉1.8％，二硅化钼粉0.06%。
其中，碳化硼粉平均粒径1.25um、二氧化钛粉平均粒径0.24um，炭黑粉平均粒径0.35um、碳化硅粉平均粒径0.16um，氧化石墨烯粉平均粒径2.48um，二硅化钼粉平均粒径1.36um。
制备方法：
（1）按重量份，将碳化硼粉末、二氧化钛粉、炭黑粉、碳化硅粉置于球磨机中，以去离子水为介质湿磨2h，然后过120目筛网，得到浆料；
（2）按重量份，将氧化石墨烯粉和二硅化钼粉加入浆料中，再次球磨1h，然后过120目筛网，得到的浆料喷雾干燥造粒，得到造粒料；
（3）将造粒料置于模具中，在115MPa压力下压制成型，保压时间为10s，压制得到素坯；
（4）将素坯置于真空热压炉结炉中，在氩气保护下，从1200℃开始加压，加压压力为20MPa，以30℃/min升温至1700℃，保温0.5h，然后再以30℃/min升温至2105℃烧结，保温1.5h后，冷却，经磨加工、抛光得到防弹材料。
实施例4
原料：按重量比，碳化硼粉末83.42%、二氧化钛粉7.9%，炭黑粉2.6%、碳化硅粉3.6%，氧化石墨烯粉2.4％，二硅化钼粉0.08%。
其中，碳化硼粉平均粒径1.25um、二氧化钛粉平均粒径0.24um，炭黑粉平均粒径0.35um、碳化硅粉平均粒径0.16um，氧化石墨烯粉平均粒径2.48um，二硅化钼粉平均粒径1.36um。
制备方法：
（1）按重量份，将碳化硼粉末、二氧化钛粉、炭黑粉、碳化硅粉置于球磨机中，以去离子水为介质湿磨2.8h，然后过120目筛网，得到浆料；
（2）按重量份，将氧化石墨烯粉和二硅化钼粉加入浆料中，再次球磨1.5h，然后过120目筛网，得到的浆料喷雾干燥造粒，得到造粒料；
（3）将造粒料置于模具中，在110MPa压力下压制成型，保压时间为15s，压制得到素坯；
（4）将素坯置于真空热压炉结炉中，在氩气保护下，从1200℃开始加压，加压压力为35MPa，以30℃/min升温至2105℃烧结，保温3h后，冷却，经磨加工、抛光得到防弹材料。
实施例5
原料：按重量比，碳化硼粉末83.42%、二氧化钛粉7.9%，炭黑粉2.6%、碳化硅粉3.6%，氧化石墨烯粉2.4％，二硅化钼粉0.08%。
其中，碳化硼粉平均粒径1.25um、二氧化钛粉平均粒径0.24um，炭黑粉平均粒径0.35um、碳化硅粉平均粒径0.16um，氧化石墨烯粉平均粒径2.48um，二硅化钼粉平均粒径1.36um。
制备方法：
（1）按重量份，将碳化硼粉末、二氧化钛粉、炭黑粉、碳化硅粉、氧化石墨烯粉和二硅化钼置于球磨机中，以去离子水为介质湿磨2.8h，然后过120目筛网，得到浆料；
（2）得到的浆料喷雾干燥造粒，得到造粒料；
（3）将造粒料置于模具中，在110MPa压力下压制成型，保压时间为15s，压制得到素坯；
（4）将素坯置于真空热压炉结炉中，在氩气保护下，从1200℃开始加压，加压压力为35MPa，以30℃/min升温至2105℃烧结，保温3h后，冷却，经磨加工、抛光得到防弹材料。
对比例1
原料：按重量比，碳化硼粉末85.9%、二氧化钛粉7.9%，炭黑粉2.6%、碳化硅粉3.6%。
其中，碳化硼粉平均粒径1.25um、二氧化钛粉平均粒径0.24um，炭黑粉平均粒径0.35um、碳化硅粉平均粒径0.16um。
制备方法：
（1）按重量份，将碳化硼粉末、二氧化钛粉、炭黑粉、碳化硅粉置于球磨机中，以去离子水为介质湿磨2.8h，然后过120目筛网，得到浆料；
（2）得到的浆料喷雾干燥造粒，得到造粒料；
（3）将造粒料置于模具中，在110MPa压力下压制成型，保压时间为15s，压制得到素坯；
（4）将素坯置于真空热压炉结炉中，在氩气保护下，从1200℃开始加压，加压压力为35MPa，以30℃/min升温至2105℃烧结，保温3h后，冷却，经磨加工、抛光得到防弹材料。
对比例2
原料：按重量比，碳化硼粉末83.5%、二氧化钛粉7.9%，炭黑粉2.6%、碳化硅粉3.6%，氧化石墨烯粉2.4％。
其中，碳化硼粉平均粒径1.25um、二氧化钛粉平均粒径0.24um，炭黑粉平均粒径0.35um、碳化硅粉平均粒径0.16um，氧化石墨烯粉平均粒径2.48um。
制备方法：
（1）按重量份，将碳化硼粉末、二氧化钛粉、炭黑粉、碳化硅粉置于球磨机中，以去离子水为介质湿磨2.8h，然后过120目筛网，得到浆料；
（2）按重量份，将氧化石墨烯粉加入浆料中，再次球磨1.5h，然后过120目筛网，得到的浆料喷雾干燥造粒，得到造粒料；
（3）将造粒料置于模具中，在110MPa压力下压制成型，保压时间为15s，压制得到素坯；
（4）将素坯置于真空热压炉结炉中，在氩气保护下，从1200℃开始加压，加压压力为35MPa，以30℃/min升温至2105℃烧结，保温3h后，冷却，经磨加工、抛光得到防弹材料。
对比例3
原料：按重量比，碳化硼粉末85.82%、二氧化钛粉7.9%，炭黑粉2.6%、碳化硅粉3.6%，二硅化钼粉0.08%。
其中，碳化硼粉平均粒径1.25um、二氧化钛粉平均粒径0.24um，炭黑粉平均粒径0.35um、碳化硅粉平均粒径0.16um，二硅化钼粉平均粒径1.36um。
制备方法：
（1）按重量份，将碳化硼粉末、二氧化钛粉、炭黑粉、碳化硅粉置于球磨机中，以去离子水为介质湿磨2.8h，然后过120目筛网，得到浆料；
（2）按重量份，将二硅化钼粉加入浆料中，再次球磨1.5h，然后过120目筛网，得到的浆料喷雾干燥造粒，得到造粒料；
（3）将造粒料置于模具中，在110MPa压力下压制成型，保压时间为15s，压制得到素坯；
（4）将素坯置于真空热压炉结炉中，在氩气保护下，从1200℃开始加压，加压压力为35MPa，以30℃/min升温至2105℃烧结，保温3h后，冷却，经磨加工、抛光得到防弹材料。
对比例4
原料：按重量比，碳化硼粉末81.02%、二氧化钛粉7.9%，炭黑粉2.6%、碳化硅粉3.6%，氧化石墨烯粉4.8％，二硅化钼粉0.08%。
其中，碳化硼粉平均粒径1.25um、二氧化钛粉平均粒径0.24um，炭黑粉平均粒径0.35um、碳化硅粉平均粒径0.16um，氧化石墨烯粉平均粒径2.48um，二硅化钼粉平均粒径1.36um。
制备方法：
（1）按重量份，将碳化硼粉末、二氧化钛粉、炭黑粉、碳化硅粉置于球磨机中，以去离子水为介质湿磨2.8h，然后过120目筛网，得到浆料；
（2）按重量份，将氧化石墨烯粉和二硅化钼粉加入浆料中，再次球磨1.5h，然后过120目筛网，得到的浆料喷雾干燥造粒，得到造粒料；
（3）将造粒料置于模具中，在110MPa压力下压制成型，保压时间为15s，压制得到素坯；
（4）将素坯置于真空热压炉结炉中，在氩气保护下，从1200℃开始加压，加压压力为35MPa，以30℃/min升温至2105℃烧结，保温3h后，冷却，经磨加工、抛光得到防弹材料。
对上述试验例制备的样品进行性能检测试验，其中样品密度按照《QB/T 1010-2015陶瓷材料、颜料真密度的测定方法》；弯曲强度采用《GB/T 4741-1999陶瓷材料抗弯曲强度试验方法》；断裂韧性采用《GB/T 23806-2009精细陶瓷断裂韧性试验方法单边预裂纹梁（SEPB）法》；显微硬度采用《GB/T 16534-1996工程陶瓷维氏硬度试验方法》。结果如下：
上述试验例结果表明，对比对比例1、2可知，当配方中添加适量氧化石墨烯，能够提高弯曲强度和断裂韧性，并提高显微硬度。对比实施例2和对比例4可知，当配方中添加了过量的氧化石墨烯，则反而会降低弯曲硬度和断裂韧性.对比例实施例2、4和5可知，在相同的配方下，采用分批二次研磨，和程序烧结的方式，对样品密度的降低和断裂韧性的提升有显著影响。
综上所述，本发明所述配方和制备方法能够制备得到更为轻质、防护性能强的防弹材料。并且制备工序简单，有利于工业化应用。
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